UNIVERSITAS INDONESIA SKRIPSI. Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik. Dede Sumantri

UNIVERSITAS INDONESIA

PENINGKATAN KINERJA MESIN RAPID PROTOTYPING

BERBASIS FUSED DEPOSITION MODELLING

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Dede Sumantri 0706266954

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN DEPOK

JANUARI 2012

ii Universitas Indonesia HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang

dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.

Nama : Dede Sumantri

NPM : 0706266954

Tanda Tangan : 20 Januari 2012

Tanggal :

iii Universitas Indonesia HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :

Nama : Dede Sumantri

NPM : 0706266954

Program Studi : Teknik Mesin

Judul Skripsi : Peningkatan Kinerja Mesin Rapid Prototyping Berbasis Fused Deposition Modelling

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

DEWAN PENGUJI

Pembimbing : Dr. Ir. Gandjar Kiswanto, M.Eng ( )

Penguji : Dr. Ir. Ario Sunar Baskoro, ST., MT., M.Eng ( )

Penguji : Dr. Ir. Danardhono A.S, DEA PE ( )

Penguji : .Ir. Henky S. Nugroho, MT. ( )

Penguji : Ir. Bambang P. Prianto, MIKomp ( )

Ditetapkan di : Depok

Tanggal :

20 Januari 2012

iv Universitas Indonesia UCAPAN TERIMA KASIH

Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan kekuatan, kesabaran dan ketenangan yang lebih dan atas rahmat-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulisan skripsi ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Saya menyadari bahwa tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, penyusunan skripsi ini sangatlah sulit bagi saya. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih kepada:

1) Keluarga terutama orang tua yang telah memberikan dukungan moril dan materiil yang begitu besar

2) Dr. Ir. Gandjar Kiswanto, M.Eng selaku dosen pembimbing

3) Dewan penguji yang telah memberikan evaluasi dan saran dalam skripsi ini 4) Dr. Ir.Harinaldi, M.Eng selaku kepala Departemen Teknik Mesin;

5) Teman-teman di Lab Manufaktur, Rendi Kurniawan, Andri Sulaiman, Jediel Billy R, Teguh Santoso, Anton Royanto, Agus Siswanto, Ferdi Bastian, Alvis yang telah membantu dan memberi saran kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini;

6) Setiani Anjarwirasti, S.Psi yang selalu memberi semangat untuk menyelesaikan tugas akhir ini secepatnya

7) Mas Yasin selaku karyawan Departemen Teknik Mesin yang telah membantu dalam skripsi ini

8) Teman-teman yang telah menemani penulis menghabiskan waktu luang dalam kesempitan

Akhir kata, semoga Allah S.W.T membalas segala kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga skripsi ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Depok, Januari 2012

Penulis

v Universitas Indonesia HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS

AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Dede Sumantri NPM : 0706266954 Program Studi : Teknik Mesin Departemen : Teknik Mesin Fakultas : Teknik Jenis karya : Skripsi

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty-

Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :

PENINGKATAN KINERJA MESIN RAPID PROTOTYPING BERBASIS FUSED DEPOSITION MODELLING

beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di : Depok

Pada tanggal : 20 Januari 2012 Yang menyatakan

(Dede Sumantri)

vi Universitas Indonesia ABSTRAK

Nama : Dede Sumantri Program Studi : Teknik Mesin

Judul : Peningkatan Kinerja Mesin Rapid Prototyping Berbasis Fused

Deposition Modelling

Mesin rapid prototyping berbasis fused deposition modeling (FDM) merupakan mesin yang berfungsi untuk membuat suatu prototype dengan cara memasukkan material thermoplastic ke dalam heater hingga terjadi perubahan fase dari solid menjadi semisolid dan mendepositkan material semisolid tersebut layer by layer hingga prototype tersebut jadi secara utuh. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kinerja mesin rapid prototyping berbasisi FDM yang telah dikembang oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia dengan menggunakan metode peningkatan kinerja yang dilakukan. Metode peningkatan kinerja yang dilakukan adalah dengan menggurangi diameter output filamen menjadi 0.5 mm, meminimalisir defleksi yang terjadi pada produk akhir yang disebabkan adanya perbedaan temperatur yang tinggi pada setiap layer dan mengembangkan model pengisian dalam dengan menggunakan metode slicing yang di integrasikan dengan CAM system. Untuk mengurangi diameter output filamen dilakukan dengan mendesain heater barrel dengan diameter output 0.5 mm dan untuk mengurangi defleksi yang terjadi pada hasil prototype digunakan alas pemanas (heatbed)

Kata kunci: rapid prototyping, Fused Deposition Modelling, FDM, prototype,

slicing, defleksi

vii Universitas Indonesia

ABSTRACT

Name : Dede Sumantri

Major : Mechanical Engineering

Title : Improving Performance of Rapid Prototyping Machine Based on

Fused Deposition Modelling

Rapid prototyping machine based on fused deposition modeling (FDM) is a machine that used to create a prototype. Material thermoplastic was entered into a heater until change from solid to semisolid material and after that, semisolid material was deposited layer by layer until the prototype was finished in their entirety. This study aims to improve the performance of rapid prototyping machine based on FDM that has been developed by the Department of Mechanical Engineering University of Indonesia by using the method of performance enhancement. There are some Methods to improve performance of machine, they are reduce diameter of output filament to 0.5 mm, minimize deflection which occurs in the final product caused high temperature difference on each layer and developed filling models using the slicing algoritm that integrated with CAM systems. To reduce the diameter of output filament by designing the heater barrel with a diameter output 0.5 mm and to reduce the deflection that occurs on the prototype used heatbed.

Keywords : rapid prototyping, Fused Deposition Modelling, FDM, prototype, slicing, deflection

viii Universitas Indonesia DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

UCAPAN TERIMA KASIH ... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... v

ABSTRAK ... vi

ABSTRACT ... vii

DAFTAR ISI ... viii

DAFTAR GAMBAR ... xi

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiv

DAFTAR ISTILAH ... xv BAB 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Tujuan Penelitian ... 2 1.3 Perumusan Masalah ... 3 1.4 Pembatasan Masalah ... 3 1.5 Metodologi Penelitian ... 3 1.6 Sistematika Penulisan ... 3

BAB 2 RAPID PROTOTYPING ... 5

2.1 Klasifikasi Rapid Prototyping ... 5

2.1.1 Stereolithography ... 6

2.1.2 Selective Laser Sintering ... 7

2.1.3 Laminated Object Manufacturing (LOM) ... 9

2.1.4 Fused Deposition Modelling (FDM) ... 11

2.1.5 Three Dimensional Printing (3DP) ... 13

2.2 Proses Rapid Prototyping... 15

2.3 Parameter Rapid Prototyping ... 16

2.4 Slicing dan Pembuatan Lintasan ... 17

2.5 Model Facet ... 18

2.6 Material Thermoplastik ... 20

2.6.1 Acrylic ... 21

ix Universitas Indonesia 2.6.2 Cellulose ... 22 2.6.3 Nylon ... 22 2.6.4 Polycarbonate ... 22 2.6.5 Termoplastic Polyester ... 22 2.6.6 Polyethylene (PE) ... 23 2.6.7 Polypropylene (PP) ... 23 2.6.8 Polyvinylchloride (PVC) ... 23

BAB 3 PENINGKATAN KINERJA MESIN RAPID PROTOTYPING ... 24

3.1 Pengurangan Diameter Output Filamen... 24

3.1.1 Analisis Pengurangan Diameter Output Filamen ... 24

3.1.2 Pengembangan Nozzle ... 25

3.2 Pengurangan Defleksi ... 28

3.2.1 Analisis Pengurangan Defleksi ... 28

3.2.2 Pengembangan Heatbed ... 29

3.2.3 Thermocouple Amplifier ... 30

3.2.4 Relay ... 33

3.3 Pengembangan Komunikasi Mikrokontroler ... 34

3.3.1 Protokol Pengiriman Data Antara PC dan Mikrokontroler Master . 37 3.3.2 Protokol Pengiriman Data Antar Dua Mikrokontroler ... 38

3.3.3 Tampilan User Interface ... 39

3.3.4 Fungsi Utama Pada PC ... 41

3.3.5 Fungsi Membuka PORT Komunikasi ... 42

3.3.6 Perintah Posisi Awal pada PC ... 43

3.3.7 Perintah Mengirim Data ... 43

3.3.8 Fungsi Utama Pada Mikrokontroler Master ... 43

3.3.9 Perintah Posisi Awal pada Mikrokontroler Master ... 44

3.3.10 Pengaturan Komunikasi Serial Pada Mikrokontroler Master ... 44

3.3.11 Perintah Start Point pada Mikrokontroler Master ... 45

3.3.12 Perintah Jalan Program pada Mikrokontrol Master ... 45

3.3.13 Fungsi Utama Pada Mikrokontroler Slave ... 45

3.3.14 Pengaturan Komunikasi Serial Pada Mikrokontroler Slave ... 46

3.3.15 Perintah Posisi Awal pada Mikrokontroler Slave ... 46

3.3.16 Perintah Start Point pada Mikrokontroler Slave ... 47

3.3.17 Perintah Terima Data pada Mikrokontroler Slave... 47

3.3.18 RP Code ... 47

x Universitas Indonesia

3.4 Pengembangan Model Filling ... 49

3.4.1 Pengembangan Slicing Algorithm ... 50

BAB 4 ANALISIS DAN PENGUJIAN ... 53

4.1 Tujuan Pengujian ... 53

4.2 Metode Pengujian ... 53

4.3 Metode Pengukuran ... 54

4.4 Hasil Pengujian ... 59

4.5 Analisis ... 62

4.5.1 Hubungan Jumlah Layer Terhadap Defleksi Pada Suhu Heatbed 200 °࡯ _{... 62}

4.5.2 Hubungan Jumlah Layer Terhadap Defleksi Pada Suhu Heatbed 205 °࡯ _{... 62}

4.5.3 Hubungan Jumlah Layer Terhadap Defleksi Pada Suhu Heatbed 210 °࡯ _{... 63}

4.5.4 Hubungan Jumlah Layer Terhadap Defleksi Dengan Variasi Beda Temperatur ... 63

4.5.5 Hubungan Jumlah Layer Terhadap Defleksi Dengan Variasi Panjang Benda Uji ... 64

4.6 Aplikasi Hasil ... 64

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 68

5.1 Kesimpulan ... 68

5.2 Saran ... 68

xi Universitas Indonesia DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Contoh produk rapid prototyping ... 2

Gambar 2.1 SLA[11]... 6

Gambar 2.2 Selective Laser Sintering (SLS) [11]... 8

Gambar 2.3 Laminated Object Manufacturing (LOM) [11] ... 10

Gambar 2.4 Fused Deposition Modelling (FDM) [11] ... 12

Gambar 2.5 Three Dimensional Printing (3DP) [11] ... 14

Gambar 2.6 STL File ... 19

Gambar 3.1 Akurasi produk lama ... 24

Gambar 3.2 output filament produk lama ... 25

Gambar 3.3 Komponen nozzle ... 26

Gambar 3.4 Assembly nozzle ... 27

Gambar 3.5 Skema kontrol suhu nozzle ... 27

Gambar 3.6 Defleksi pada produk rapid prototyping ... 28

Gambar 3.7 Heatbed ... 29

Gambar 3.8 bimetal... 30

Gambar 3.9 Skema kontrol suhu heatbed ... 30

Gambar 3.10 Skematik AD595[14] ... 31

Gambar 3.11 IC AD595[14] ... 33

Gambar 3.12 Skematik relay[15] ... 33

Gambar 3.13 Relay 24 V[16] ... 34

Gambar 3.14 Skema Komunikasi Data[6] ... 35

Gambar 3.15 Bagan Pengiriman Data[6] ... 36

Gambar 3.16 Tampilan awal ... 39

Gambar 3.17 Open file STL ... 40

Gambar 3.18 Konfigurasi parameter slicing ... 40

Gambar 3.19 Pemilihan Com Port ... 41

Gambar 3.20 Format data ... 48

Gambar 3.21 Absolut[13] ... 49

Gambar 3.22 Increment[11] ... 49

Gambar 3.23 Alur algoritma slicing ... 50

Gambar 3.24 Backward algorithm ... 51

Gambar 4.1 Contoh benda uji ... 54

Gambar 4.2 CMM probe ... 54

Gambar 4.3 Tampilan awal Mitutoyo Software ... 55

Gambar 4.4 Pemilihan probe... 55

Gambar 4.5 Pengambilan titik ... 55

Gambar 4.6 Pembuatan garis ... 56

Gambar 4.7 Hasil pembuatan garis ... 56

Gambar 4.8 Aligment bidang X-Z ... 56

Gambar 4.9 Hasil aligment bidang X-Z ... 57

Gambar 4.10 Traslasi garis... 57

Gambar 4.11 Hasil dari tranlasi garis ... 58

Gambar 4.12 Rotasi garis ... 58

xii Universitas Indonesia Gambar 4.13 Grafik kelengkungan pada CMM ... 59 Gambar 4.14 Hubungan jumlah layer terhadap defleksi pada suhu heatbed 200 °࡯ dan beberapa variasi suhu nozzle ... 59 Gambar 4.15 Hubungan jumlah layer terhadap defleksi pada suhu heatbed 205 °࡯ dan beberapa variasi suhu nozzle ... 60 Gambar 4.16 Hubungan jumlah layer terhadap defleksi pada suhu heatbed 210 °࡯ dan beberapa variasi suhu nozzle ... 60 Gambar 4.17 Hubungan jumlah layer terhadap defleksi pada variasi suhu ... 61 Gambar 4.18 Hubungan jumlah layer terhadap defleksi pada variasi panjang benda uji ... 61 Gambar 4.19 Thermal capacity (Ct) ... 62 Gambar 4.20 (a) Produk dengan diameter nozzle 1 mm, (b) Produk dengan diameter nozzle 0.5 mm ... 64 Gambar 4.22 (a) Produk sebelum pemakaian heatbed, (b) Produk setelah pemakian heatbed ... 65 Gambar 4.24 (a) Sebelum penerapan backward algorithm, (b) Setelah penerapan

backward algorithm ... 66

Gambar 4.26 Komunikasi mikrokontroler Hadiamill ... 67

xiii Universitas Indonesia DAFTAR TABEL

Table 1 Spesifikasi SLA[11] ... 7

Table 2 Spesifikasi SLS[11] ... 9

Table 3 Contoh Spesifikasi LOM[11] ... 10

Table 4 Contoh Spesifikasi FDM[11] ... 13

Table 5 Contoh Spesifikasi 3DP[11] ... 15

Table 6 karakteristik polymer[12] ... 21

Table 7 Temperatur dan tegangan terukur AD595[14] ... 32

xiv Universitas Indonesia DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Program Mikrokontroler Master ... 71

Lampiran 2 Program Mikrokontroler slave ... 97

Lampiran 3 Program Kontrol Suhu ... 115

Lampiran 4 Program slicing - get_coordinate_model.java ... 119

Lampiran 5 Program slicing - brute_searching.java ... 126

Lampiran 6 Program slicing - slicing.java ... 129

Lampiran 7 Program slicing - Path_element_generation.java ... 140

Lampiran 8 Program slicing - path_linking.java ... 144

Lampiran 9 Data Defleksi ... 150

Lampiran 10 Gambar Kerja Desain Nozzle ... 151

xv Universitas Indonesia DAFTAR ISTILAH

LCD : Liquid Crystal Display FDM : Fused Deposition Modelling

USART : Universal Serial Asynchronous Receiver-Transmitter CAD : Computer Aided Design

STL :Stereolithography

ADC : Analog Digital Converter MCU : Microcontroller Unit MC : Mikrokontroler

MCS : Machine Coordinate System CMM : Coordinate Machine Measurement PC : Personal Computer

1 Universitas Indonesia 1 BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dewasa ini dunia industri terus mengalami perkembangan, terutama industri yang bergerak di bidang manufaktur. Dalam industri manufaktur desain suatu produk menjadi bagian yang sangat penting mengingat begitu ketatnya persaing dan cepatnya inovasi-inovasi yang dikeluarkan oleh produsen untuk mendapatkan pasar penjualan. Dalam kondisi yang demikian produsen yang dapat merespon kondisi pasar lebih cepat dan merealisasikan suatu konsep menjadi produk yang diinginkan oleh pasar akan menjadi leader di pasar tersebut. Hal tersebut tidak lepas dari suatu tahapan dalam mendesain suatu produk yaitu

prototyping. Kenyataannya tidak mungkin suatu produsen berani untuk

memproduksi secara massal suatu produk tanpa melihat prototype dari produk tersebut sehingga prototyping menjadi kunci utama untuk menilai apakah suatu produk desain telah memenuhi kriteria yang diinginkan dan siap untuk diproduksi secara massal. Prototyping akan sangat membantu menentukan proses produksi selanjutnya dan nilai investasi yang harus dikeluarkan.

Pada dasarnya prototyping adalah proses mereka bentuk dan tampilan suatu produk sebelum produk akhir sesuai dengan spesifikasi yang dibuat. Banyak cara dapat dilakukan untuk menghasilkan suatu prototype salah satunya adalah dengan mentransformasi CAD 3D tersebut ke dalam gambar kerja 2D yang berisi informasi mendetail tentang produk tersebut baik proyeksi dan isometri lalu memproduksi dengan teknik permesinan pada umumnya. Cara tersebut sangat tidak efektif karena akan membutuhkan waktu yang lama dan biaya yang besar. Terlebih bila hasilnya tidak memuaskan maka harus dibuat prototype baru dengan mengorbankan waktu dan biaya lebih banyak lagi.

Dengan perkembangan teknologi yang semakin pesat pembuatan

prototype yang tidak memakan banyak waktu dan biaya dapat terwujud dengan

menggunakan mesin rapid prototyping yang dapat membuat prototype dalam

Universitas Indonesia waktu yang singkat dan biaya yang murah dibandingkan pembuatan prototype secara konvensional. Mesin rapid prototyping ini menjadi alat vital dalam dunia industri. Namun untuk industri di Indonesia belum banyak digunakan dikarenakan harga mesin tersebut relatif mahal untuk industri-industri berkembang di Indonesia, maka dari itu Laboratorium Manufaktur dan Otomasi DTM FTUI mengembangkan mesin rapid prototyping berbasis Fused Deposition Modelling dengan fokus menciptakan suatu mesin rapid prototyping dengan harga yang jauh lebih terjangkau dan material yang lebih murah.

Gambar 1.1 Contoh produk rapid prototyping

Penelitian ini merupakan penelitian lanjutan untuk terus mengembangkan mesin rapid prototyping berbasisi fused deposition modelling. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kinerja dari mesin rapid prototyping.

1.2 Tujuan Penelitian

Secara umum penelitian ini merupakan bagian riset pada Laboratorium Manufaktur dan Otomasi DTM UI yang ditujukan untuk mengembangkan sebuah desain mesin rapid prototyping dengan teknik Fused Deposition Modelling dengan biaya rendah. Penelitian ini adalah lanjutan dari peneliti sebelumnya yang telah mengembangkan mesin rapid prototyping. Pengembangan yang dilakukan meliputi pengembangkan perangkat lunak yang dapat mengontrol mesin rapid

prototyping dan pengembangan perangkat keras untuk menghasilkan produk

yang lebih baik.

Universitas Indonesia Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kinerja mesin

rapid prototyping untuk menghasilkan produk dengan akurasi yang lebih baik dari

penelitian sebelumnya dengan menggunakan metode peningkatan kinerja yang dilakukan.

1.3 Perumusan Masalah

Beberapa masalah yang diangkat dalam penelitian ini, diantaranya adalah 1. Akurasi dari output filamen masih rendah

2. Proses pembentukan produk masih berbasis pada pembentukan permukaan.

3. Belum terintegrasi proses slicing dengan sebuah CAM sistem dan komunikasi dengan mikrokontroler.

1.4 Pembatasan Masalah

Penelitlian ini membatasi masalah pada :

1. Menggunakan mesin FDM yang telah dikembangkan sebelumnya. 2. Material yang digunakan adalah nylon.

1.5 Metodologi Penelitian

Metodologi penelitian yang diterapkan adalah sebagai berikut :

1. Melakukan studi literatur mengenai rapid prototyping, pemprograman dan sistem control dengan mikrokontroler.

2. Mengembangkan metode peningkatan akurasi.

3. Pengembangan perangkat lunak dan perangkat keras untuk menunjuang peningkatan akurasi.

4. Pengujian dan analisa perangkat lunak dan perangkat keras. 1.6 Sistematika Penulisan

BAB 1. PENDAHULUAN

Pada bab ini dijelaskan mengenai latar belakang penelitian, tujuan penelitian, perumusan masalah, pembatasan masalah, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan.

Universitas Indonesia BAB 2. RAPID PROTOTYPING

Pada bab ini dijelaskan berbagai metode rapid prototyping yang digunakan dalam dunia industri, penggunaan algoritma slicing dan material thermoplastik.

BAB 3. METODE PENINGKATAN KINERJA MESIN RAPID

PROTOTYPING

Pada bab ini dijelaskan beberapa analisis permasalahan yang diangkat dan metode yang digunakan untuk meningkatkan kinerja dari mesin rapid prototyping meliputi pengembangan nozzle, pengembangan heatbed, pengembangan perangkat lunak berbasis JAVA, dan pengembangan model filling.

BAB 4. ANALISIS DAN PENGUJIAN

Pada bab ini dilakukan analisis pengaruh parameter pengujian pada defleksi dan pengaplikasian hasil pengujian pada produk rapid prototyping. BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini berisi kesimpulan dari hasil penelitian lebih lanjut dengan meninjau terhadap tujuan penelitian dan saran untuk penelitian selanjutnya dari hasil dari apa yang telah dicapai pada penelitian .

5 Universitas Indonesia 2 BAB 2

RAPID PROTOTYPING

2.1 Klasifikasi Rapid Prototyping

Rapid Prototyping (RP) merupakan suatu proses pembuatan produk

dengan cara solidifikasi material layer by layer. Prinsipnya adalah dengan melakukan penambahan raw material disetiap layer dimulai dari dari layer terbawah sampai dengan terakhir secara berturut-turut sampai terbentuk produk yang diinginkan.

Rapid prototyping banyak digunakan di dunia industri karena memberikan

keuntungan kepada industri untuk mengembangkan produknya dengan cepat.

Rapid Prototyping mengurangi waktu pengembangan produk dengan memberikan

kesempatan-kesempatan untuk koreksi terlebih dahulu terhadap produk yang dibuat (prototype). Dengan menganalisa prototype, insinyur dapat mengkoreksi beberapa kesalahan atau ketidaksesuaian dalam desain ataupun memberikan sentuhan-sentuhan engineering dalam penyempurnaan produknya. Saat ini tren yang sedang berkembang dalam dunia industri adalah pengembangan variasi dari produk, peningkatan kompleksitas produk, produk umur pakai pendek dan usaha penurunan biaya produksi dan waktu pengiriman. rapid prototyping meningkatkan pengembangan produk dengan memungkinkannya komunikasi yang lebih efektif dalam lingkungan industri.

Beberapa metode Rapid Prototyping yang berkembang saat ini adalah: 1. Stereolithography (SLA)

2. Selective Laser Sintering (SLS)

3. Laminated Object Manufacturing (LOM) 4. Fused Depsition Modelling (FDM) 5. 3D Printing (3DP)

Universitas Indonesia 2.1.1 Stereolithography

Stereolithography atau biasa disebut SLA adalah metode rapid prototyping yang pertama kali dikembangkan. 3D Systems of Valencia, CA, USA

mengembangkan metode ini pada tahun 1986. Materialnya adalah Resin yang sensitif terhadap cahaya tertentu (photosensitive resin) yang ditembakkan sesuai gerakan yang dikontrol oleh sistem komputer dan pembacaan data 3D CAD yang dimasukkan. Stereolithography juga biasa disebut 3D-layering. Menggunakan wadah yang menampung resin bahan baku dan pada bagian tertentu (elevator) dapat bergerak vertikal (keatas kebawah atau sumbu-z positif negatif). Cahaya Laser UV jatuh tepat pada layer per layer dan mengeraskan resin yang sensitif. Setelah layer pertama terbentuk, maka laser UV ditembakkan kembali pada resin tersebut untuk membentuk layer kedua. Setiap layer yang telah terbentuk, elevator bergerak ke bawah dengan jarak yang sama selama proses berlangsung (pada umumnya 0.003 – 0.002 inch per layer). Jadi layer kedua terbentuk tepat diatas

layer pertama dan begitu seterusnya pada layer selanjutnya.

Gambar 2.1 SLA[11]

Universitas Indonesia Pada gambar diatas dapat dilihat proses dari metode SLA. Laser UV ditembakkan melalui lensa dan X-Y scanning mirror yang bergerak sesuai kontrol dan pembacaan data 3D CAD membentuk layer per-layer ke resin fotosensitif dalam wadah. Setelah resin yang ditembakkan laser tadi mengeras, Sweeper bergerak diatas layer tersebut untuk membersihkan bagian atas layer (finishing layer). Kemudian platform (elevator) bergerak kebawah yang menandakan proses pembuatan layer pertama telah selesai. Selanjutnya adalah proses yang sama sampai dengan layer terakhir terbentuk. Setelah selesai dalam tahap ini, platform bergerak keatas. Benda yang disusun dari layer per-layer tadi menjadi satu benda yang utuh. Benda kemudian dilepaskan dari platform. Kebanyakan kasus dalam SLA, finishing terakhir benda ditaruh dalam UV oven kemudian dipoles.

Table 1 Spesifikasi SLA[11]

2.1.2 Selective Laser Sintering

Selective Laser Sintering atau biasa disebut SLS pertama dikembangkan

oleh Carl Deckard di University of Texas pada tahun 1989. Konsep dasar dari SLS pada dasarnya sama dengan Stereolithography (SLA) yaitu dengan menggunakan tembakan sinar laser yang bergerak untuk membentuk layer pada material bahan baku sehingga terbentuk benda tiga dimensi. Seperti metode RP lainnya, part dibuat diatas sebuah platform dimana platform tersebut dapat

Universitas Indonesia bergerak untuk menyesuaikan pembentukan layer per-layer sesuai kepresisian gerak platform tersebut. Perbedaan dengan SLA adalah pada tipe materialnya. Jika SLA menggunakan resin (liquid), SLS menggunakan bubuk (powder) yang jenisnya lebih beragam seperti termoplastik, elastomer, dan komposit. Tidak seperti SLA, SLS tidak membutuhkan material pendukung untuk menopang struktur yang dibentuk karena tiap layer yang dibuat merupakan pendukung pembentuk struktur pada saat dibuat. Dengan material metal composite, proses SLS mengeraskan material polimer disekitar bubuk metal (100 mikron diameter) membentuk part. Part tersebut kemudian dimasukkan dalam tungku dengan temperatur lebih dari 900°C dimana binder polimer dibakar dan disusupi dengan serbuk perunggu untuk meningkatkan densitas. Biasanya pembakaran memerlukan waktu kurang lebih satu hari yang setelah itu proses machining dan

finishing dilakukan.

Gambar 2.2 Selective Laser Sintering (SLS)[11]

Universitas Indonesia Laser ditembakkan melalui lensa dan dibiaskan oleh cermin yang bergerak mengarahkan sinar pada aksis X-Y sesuai sistem kontrol dan 3D CAD yang diinginkan. Build piston bergerak kebawah membentuk layer per-layer. Material bahan baku berupa bubuk (powder) diumpan dari Powder feed piston disampingnya dengan bantuan roller yang bergerak melintasi build piston bolak-balik selama proses. Powder piston bergerak keatas sedangkan build piston bergerak kebawah sesuai level layer yang dibentuk setelah layer pertama terbentuk dan begitu seterusnya.

Table 2 Spesifikasi SLS[11]

2.1.3 Laminated Object Manufacturing (LOM)

Laminated Object Manufacturing atau biasa disebut LOM pertama

dikembangkan pada tahun 1991. Komponen utama dari sistem LOM ini adalah sebuah material metal lembaran yang diumpan diatas platform, roller yang dipanaskan untuk memberikan tekanan untuk layer dibawahnya dan sinar laser yang ditembakkan pada material tersebut untuk memotong material lembaran pada tiap layer tersebut dan seterusnya sehingga terbentuk sebuah part tiga

Universitas Indonesia dimensi. Part terbentuk dengan menumpuk, mengikat, dan memotong layer atau lapisan dari lembaran yang dibalut material adesif diatas layer sebelumnya. Sinar laser memotong outline part tersebut pada tiap layer. Setelah layer selesai terbentuk, platform bergerak turun (umumnya 0.002 – 0.02 in) dan kemudian lembaran yang lainnya ditempatkan diatas struktur yang telah terbentuk sebelumnya.

Gambar 2.3 Laminated Object Manufacturing (LOM)[11]

Terlihat pada gambar diatas, sinar laser ditembakkan dan dibiaskan oleh cermin khusus mengarahkan sinar laser ke lembaran material diatas platform. Sinar laser memotong outline pada material sesuai desain per-layer. Setelah terbentuk layer, platform bergerak turun kebawah, waste roller menggulung dan supply roller yang dipanaskan mensuplai lembaran baru diatas layer yang terbentuk sebelumnya. Pada saat proses berlangsung, support material tetap pada tempatnya untuk membantu pembentukan layer selanjutnya. Begitu seterusnya sampai dengan layer terakhir dan terbentuklah benda tiga dimensi.

Table 3 Contoh Spesifikasi LOM[11]

Universitas Indonesia

2.1.4 Fused Deposition Modelling (FDM)

Fused Deposition Modelling (FDM) adalah metode Rapid Prototyping

yang sedikit berbeda dengan metode RP lain yang menggunakan sinar laser dalam proses utamanya. FDM memanfaatkan material yang diekstrusi dari sebuah nozzle yang kemudian digerakkan oleh motor. Material adalah termoplastik berbentuk benang (koil) yang dipanaskan diatas melting point oleh heater kemudian diekstrusi lewat lubang extruder nozzle. Heater mempertahankan temperatur tersebut dan mendeformasi material dari padatan menjadi semi-solid (liquid) agar mudah untuk diekstrusi. Nozzle yang bergerak dan mengeluarkan cairan ekstrusi membentuk layer. Material plastik ekstrusi akan mengeras secara cepat setelah dikeluarkan melewati nozzle. Setelah layer pertama terbentuk, platform bergerak kebawah dan kemudian adalah proses pembentukan layer selanjutnya. Ketebalan layer berkisar antara 0.013 – 0.005 inch. Pada aksis xy resolusi 0.001 inch dapat dicapai. Beberapa material yang dapat digunakan untuk bahan baku adalah ABS, Polyamide (PA), Polycarbonate (PC), Polyethilene (PE), Polypropilene (PP), dan Investment Casting Wax.

Universitas Indonesia Gambar 2.4 Fused Deposition Modelling (FDM)[11]

Ketika mesin Rapid Prototyping ini akan beroperasi, material bahan untuk membangun keluar dari nozzle akibat pemanasan filament (liquefier) pada heating

system dengan pengaturan laju feeder oleh drive wheel yang digerakkan oleh

motor DC. Setelah dicapai temperature yang sesuai drive wheel berputar (saklar

feeder akan on pada saat program trajectory berjalan) untuk menyuplai dan

menekan keluar nozzle dalam bentuk semi-solid (fase antara solid dan liquid). Gerakan nozzle akan diarahkan sesuai dengan program trajectory. Setelah layer pertama terbentuk, platform bergerak kebawah dan proses sebelumnya berulang sampai dengan layer terakhir dan terbentuk benda tiga dimensi.

Ada beberapa variasi dari mesin FDM yang berkembang. Beberapa misalnya posisi nozzle yang tetap sedangkan platform yang bergerak mengikuti program trajectory kearah sumbu xyz. Beberapa pengembangan telah memungkinkan support material yang digunakan untuk mendukung pembentukan struktur selama proses. Support material adalah material yang heterogen dengan material utama. Umumnya diatas platform juga diletakkan beberapa material

platform tambahan seperti gabus yang memungkinkan perekatan material pada layer pertama. Sumbu xyz digerakkan oleh motor stepper yang bergerak perpulsa.

Universitas Indonesia Table 4 Contoh Spesifikasi FDM[11]

2.1.5 Three Dimensional Printing (3DP)

Three Dimensional Printing (3DP) adalah merupakan metode yang mirip

dengan metode SLS yaitu dengan menggunakan powder bed namun tidak menggunakan sinar laser seperti FDM. Jadi bisa dikatakan 3DP merupakan perpaduan antara keduanya. 3DP menggunakan ink jet untuk memberikan perekat cair sebagai pengikat powder bed pada tiap layernya. Beberapa pilihan material yang dapat digunakan untuk metode ini adalah bubuk keramik yang sangat terbatas namun lebih murah dibandingkan dengan material lainnya. Metode ini merupakan salah satu metode RP yang cepat. Umumnya dapat mencapai 2 – 4

layer dalam satu menit. Akan tetapi dalam hal keakuratan, surface finish, dan

kekuatan tidak sebaik metode lainnya.

Universitas Indonesia Gambar 2.5 Three Dimensional Printing (3DP) [11]

Proses 3DP dimulai dengan suplai powder bed dari feed piston yang dibantu oleh roller yang mendistribusikan sehingga terbentuk lapisan tipis diatas

platform. Ink-jet print head mendistribusikan perekat cair diatas layer powder

tersebut sesuai kontrol gerakan dan desain layer per-layer. Powder bed yang direkatkan oleh cairan adhesif berikatan sehingga terbentuk sebuah layer. Selanjutnya platform bergerak ke bawah dan proses berulang sampai terbentuk

layer terakhir. Setelah selesai, bubuk sisa yang tidak termasuk dalam struktur

dapat dibuang dan dibersihkan.

Universitas Indonesia Table 5 Contoh Spesifikasi 3DP[11]

2.2 Proses Rapid Prototyping

Proses rapid prototyping diawali dengan pemodelan CAD 3D suatu produk dengan menggunakan software CAD dengan mempertimbangkan orientasi terhadap ruang pembuatan dalam mesin rapid prototyping. Orientasi tersebut dilakukan untuk mempermudah proses pembuatan dan waktu yang diperlukan untuk pembuatan produk. Suatu software CAD memiliki sistem koordinat masing-masing yang biasanya dalam bentuk koordinat kartesian. Koordinat kartesian memiliki 3 sumbu aksis yaitu sumbu x, sumbu y dan sumbu z.Begitu pula dengan perangkat lunak yang dikembangkan dalam mesin rapid prototyping ini memiliki koordinat tersendiri. Walaupun dalam sistem koordinat yang sama yaitu koordinat kartesian namun bisa jadi ada perbedaan pendefinisian dari setiap sumbu tersebut sehingga dalam melakukan orientasi produk harus terlebih dahulu melihat kesesuaian definisi dari ketiga sumbu kartesian tersebut. Orientasi produk dalam proses rapid prototyping juga harus mempertimbangkan kemampuan mesin tersebut dalam membuat suatu prototype.

Universitas Indonesia Setelah model dan orientasi selesai kemudian model dipotong dengan bidang horizontal. Banyaknya bidang potong sebanding dengan banyaknya layer yang dibuat. Tiap bidang horizontal akan menghasilkan bidang potong yang berisi informasi titik-titik perpotongan terhadap bidang tersebut dan kemudian dibuat jalur lintasan nozzle yang menghubungkan titik-titik perpotongan dalam bidang potong tersebut dan menghubungkan antara suatu titik di layer ke n dengan titik lain di layer n + 1 sampai akhirnya membentuk suatu produk sampai menjadi kondisi utuh.

2.3 Parameter Rapid Prototyping

Dalam rapid prototyping terdapat parameter-parameter yang menentukan kualitas produk. Beberapa parameter yang harus dipertimbangkan adalah layer

thickness, hatch space dan orientasi produk. Waktu pembuatan dan keakuratan

permukaan sangat dipengaruhi oleh orientasi, layer thickness dan parameter hatch

space. Orientasi produk rapid prototyping mempengaruhi keakuratan dan waktu

pembuatan. Pemilihan orientasi produk dalam kondisi yang optimal akan mempermudah proses produksi dan menghasilkan keakuratan permukaan yang tinggi. Waktu pembuatan produk sebanding dengan ketinggian z dalam arah pembuatan. Orientasi produk dengan tinggi z minimum akan menghasilkan layer yang sedikit dan akan mengurangi waktu pembuatan.

Selain itu, layer thickness juga mempengaruhi keakuratan dan waktu pembuatan. Keakuratan permukaan akan semakin baik ketika produk dibuat dengan ketebalan yang sangat kecil akan tetapi waktu pembuatan akan semakin lama dan begitupun sebaliknya. Dengan kata lain produk akan dibuat lebih cepat dengan ketebalan yang lebih besar yang menghasilkan penurunan yang akurat. Terutama pada daerah kulvatur yang tinggi. Hatch space merupakan jarak antara vektor parallel yang digunakan untuk proses selanjutnya yaitu pembuatan jalur

nozzle pada setiap permukaan layer. Hatch space yang besar mengurangi waktu

pembuatan namun apabila hatch space terlalu besar akan menciptakan gap material. Penentuan parameter hatch space harus mempertimbangkan ketebalan dari keluaran material dari nozzle yang artinya harus juga melihat diameter nozzle

Universitas Indonesia tersebut. Penentuan parameter hatchspace yang tepat akan menciptakan waktu pembuatan menjadi lebih minimum dan produk menjadi lebih solid.

Keakuratan permukaan dapat dijelaskan sebagai deviasi geometri dari model CAD sebelumnya terhadap produk yang menyebabkan kerugian keakuratan. Kerugian kedua pada tahap proses perencanaan dimana pada bagian produk berkontur akan terbentuk efek tangga bertingkat (stair step) yang tampak jelas akibat layer thickness yang besar. Kerugian ketiga pada saat proses, terutama pada mekanisme pergerakan nozzle.

2.4 Slicing dan Pembuatan Lintasan

Proses selanjutnya setelah melakukan pemodelan CAD dengan pertimbangan orientasi adalah melakukan proses slicing. (Kholil, 2008) telah melakukan penelitian sebelumnya dengan membuat algoritma slicing yang memungkinkan program mengenal dan memilah-milah informasi untuk membuat lintasan sampai akhirnya koordinat mesin keluar dari program tersebut. Pada penelitian ini dilakukan integrasi algoritma slicing tersebut dengan mesin rapid

prototyping.

Ada beberapa metode yang digunakan dalam proses pembuatan lintasan. Ada yang berbentuk pembentukkan dinding terluar, motode pengisian, dan pemisahan produk dari material pelingkup yang menentukan pola lintasan mesin

protyping. Pembentukkan dinding terluar akan membuat proses pembuatan

menjadi lebih cepat dan sedikit membutuhkan material untuk mereka bentuk luar dari produk akhir. Namun, prototype yang dihasilkan sangat lemah dari segi kekuatan sehingga tidak cocok untuk diberi pembebanan. Pembentukkan dengan metode pengisian akan menghasilkan produk yang sesungguhnya. Pembentukkannya ini memiliki waktu proses yang lebih lama dibandingkan dengan formasi dinding terluar. Pembentukkan ini bisa dipilih untuk menghasilkan produk yang kuat.

Pola lintasan mesin rapid prototyping dibuat agar dapat digerakkan secara robotik pada bidang XY untuk mesin FDM. Proses-proses ini membutuhkan strategi pembuatan lintasan (nozzle path) yang berbeda. Beberapa pendekatan

Universitas Indonesia pembuatan proses slicing dan NC path sudah diusulkan dan diimplementasikan ke karakteristik khusus dan kebutuhan-kebutuhan berbagai proses rapid prototyping. Pendekatan-pendekatan proses slicing dikategorikan ke dalam empat kelompok yaitu :

1. Metode slicing model STL dengan ketebalan yang seragam (uniform) 2. Metode slicing model STL dengan ketebalan layer adaptive

3. Metode slicing model CAD dengan ketebalan adaptive 4. Metode slicing dengan perhitungan kontur yang tepat

Model slicing ketebalan layer seragam dimana semua layer memiliki ketebalan yang sama sedangkan metode slicing ketebalan layer adaptive, ketebalan layer bervariasi menurut kompleksitas geometri. Proses pembuatan tool

path dapat mempengaruhi kualitas permukaan, kekuatan, kekakuan, dan waktu

pembuatan produk dalam proses rapid prototyping. Perencanaan lintasan termasuk perencanaan lintasan bagian pengisian material pada bagian dalam layer. Sedangkan untuk bagian luarnya hanya digunakan pada mesin LOM karena lintasan luar dilakukan untuk memotong lembaran raw material.

2.5 Model Facet

Sistem rapid prototyping menerima input sebuah objek produk 3 dimensi dalam format file STL sehingga model CAD harus diubah kedalam format STL. Perubahan format dari CAD ke STL adalah proses diskritisasi objek tersebut. Dalam format STL objek dipresentasikan dalam kumpulan segitiga yang membentuk objek tersebut secara utuh.

File STL merupakan kependekan dari Streolithography. File yang berekstansi STL terdiri dari 2 jenis format yaitu dalam format binary dan ASCII. Dalam format binary model surface yang tersusun atas segitiga-segitiga tersimpan dalam bentuk binary yang tidak dapat dibaca dengan menggunakan text editor. Dalam format ASCII (American Standard for Information Interchange) File STL dapat terbaca dengan text editor mudah dimengerti dan dibaca. Berikut ini adalah STL file berformat ASCII yang dibaca dalam text editor.

File STL menyimpan informasi objek dalam bentuk model facet 3 dimensi. Model facet adalah suatu model atau bentuk permukaan luar bidang yang tersusun

Universitas Indonesia dari satu atau lebih segitiga. Segitiga tersebut disusun oleh sejumlah titik (vertex) yang menyusun model dihubungkan dengan garis yang menjadi sisi (edge) segitiga sehingga terbentuk segitiga yang saling berhubungan dan membentuk suatu permukaan bidang yang dikenal sebagai model facet. Ada dua fungsi utama dari pembentukan segitiga ini. Yang pertama adalah sebagai penghubung antar

vertex untuk membuat sebuah permukaan dalam hal ini yang menjadi permukaan

adalah bidang segitiga (face). Fungsi kedua adalah untuk menentukan vektor normal bidang pada wilayah tertentu. Vektor normal tersebut merupakan vektor normal segitiga yang didapat melalui proses cross product antara 2 vektor pembentuk segitiga. Arah dari vektor normal tersebut bergantung pada arah putaran vektor dari ketiga vertex yang digunakan. Arah vektor normal terhadap putaran vektor pembentuk segitiga dapat ditentukan mengikuti kaidah tangan kanan. Jika putaran searah dengan jarum jam (clockwise) maka vektor normal akan menuju bidang. Sebaliknya jika putaran berlawanan arah jarum jam (counter

clock wise) maka vektor normal ke luar bidang.

Gambar 2.6 STL File

File yang berformat .stl mempresentasikan sebuah model facet dengan menyimpan informasi sesuai standar tertentu. Informasi yang disimpan dalam file tersebut adalah segitiga-segitiga yang memiliki beberapa property berupa posisi

Universitas Indonesia ketiga buah vertex dalam bidang 3D. berikut ini adalah penjelasan mengenai file STL

1. Kata solid menandakan dimulainya penggambaran atau penyimpanan model facet sampai dengan ditutup dengan kata endsolid

2. Kata facet normal menandakan bahwa akan dibangun suatu permukaan yang berbentuk segitiga dengan nilai vektor normal berada pada kata setelah kata facet normal sampai dengan bertemu dengan kata endfacet yang berarti sebuah segitiga telah terbentuk

3. Kata outerloop menandakan dimulainya loop dari koordinat vertex-vertex yang membangun segitiga sampai dengan bertemu dengan kata endloop 4. Kata vertex merupakan vertex penyusun sebuah segitiga yang sebelumnya

telah didefinisikan dengan outerloop. Informasi yang berada setelah kata

vertex adalah posisi vertex pada sistem koordinat 3D

Dalam sistem rapid prototyping yang sedang dikembangkan informasi yang diberikan oleh fiel STL disimpan dalam dua buah vektor yaitu vektor segitiga dan vektor vertex. Setiap objek segitiga menyimpan informasi berupa nilai vektor normal segitiga tersebut dan indeks - indeks vertex penyusunnya. Dalam setiap objek vertex menyimpan posisi vertex tersebut serta normal vertex tersebut (jika ada). Penggunaan dua vektor yang menyimpan objek segitiga dan vertex dilakukan untuk menghindari redudansi mengingat vertex dapat dimiliki lebih dari satu segitiga. Dengan digunakannya dua buah vektor yang berbeda untuk menyimpan objek segitiga dan vertex maka beberapa segitiga bisa memiliki

vertex yang sama.

2.6 Material Thermoplastik

Material Thermoplastik merupakan material yang sudah secara luas digunakan untuk rapid prortotyping. Tabel dibawah ini memeberikan informasi bebagai karakteristik polimer yang telah digunakan di dalam teknologi rapid

prototyping

Universitas Indonesia Table 6 Karakteristik polymer[12]

Polimer merupakan struktur amorphous dan terbentuk dari tiga buah monomer : Acrylonitrile (C3H3N), Butadine (C4H6) dan Styrene (C8H8). Kombinasi dari monomer-monomer tersebut terdiri dari formasi dua fasa co-polimer yang berbeda untuk membentuk ABS co-polimer. Fasa pertama adalah hard

sstyrene butadiene co polimer dan yang kedua adalah subbery styrenen acrylonitrile co polymer. ABS polimer sudah digunakan di beberapa aplikasi

seperti automotif, peralatan elektronik dan aplikasi lainnya.

Polimer mempunyai beberapa karakteristik yang sangat diperlukan seperti kekuatan (strength) yang baik dan ketahanan (toughness) yang relatif tinggi. Karakteristiknya dapat dimanipulasi dengan mengubah komposisi dari salah satu monomer. ABS digunakan pada teknologi rapid ptorotyping seperti

streolithography (STL) , fused Deposition Modeling (FDM) dan Laser sintering

(SLS).

2.6.1 Acrylic

Acrylic adalah polimer dengan struktur amporphous yang didapatkan dari

acrylic acid. Material ini memeiliki transparansi yang baik yang mana dapat

meneruskan 90 % cahaya. Hal ini membuat mereka menjadi kandidat utama untuk menggantikan kaca. Memiliki ketahan yang rendah terhadap goresan daripada kaca. Acrylic sudah tersedia dengan berbagai macam warna dan salah satunya

Universitas Indonesia adalah plexiglass. Digunakan di automotif dan aplikasi peralatan optik. Acrylic digunakan untuk membuat prototype dengan menggunakan laser sintering. 2.6.2 Cellulose

Cellulose adalah polimer alami dengan struktur amorphous dan komposisi

kimianya adalah C6H10O5, kayu yang mana komposisinya terdiri dari 50 %

cellulose terdisintegrasi terlebih dahulu untuk mencapai temperatur lelehnya. Oleh

karena itu, cellulose membutuhkan kombinasi dengan material lain agar memproduksi termoplastik dengan kekakuan panas yang diinginkan.

2.6.3 Nylon

Nylon adalah anggota dari keluarga polyamide (PA) yang kebanyakan

memiliki struktur crystalline. Kebanyakan nylon yang digunakan adalah Nylon6 (PA6) dan, Nylon6.6 (PA6.6). nylon memiliki wear resistance yang baik dan kekuatannya dapat ditingkatkan dengan reinforcing dengan fiberglass. Nylon adalah material rapid prototyping utama yang digunakan pada laser sintering (LS) dan FDM.

2.6.4 Polycarbonate

Polycarbonate adalah polimer dengan komposisi kimia

[C3H6(C6H4)2CO3]n. Mereka memiliki struktur amorphous dan memiliki karakteristik creep resistance yang baik dan ketahanan yang baik. Mereka memiliki hambatan terhadap panas yang sangat baik jika dibandingkan polimer yang lain. Mereka digunakan di aplikasi automotive windshield sama juga seperti produksi housing. Mereka digunakan untuk aplikasi rapid prototyping STL.

2.6.5 Termoplastic Polyester

Polyester adalah polimer yang terdiri dari struktur semi-crystalline

dan juga terdiri dari dua tipe : thermoplastic polyester dan thermosetting

polyester. Dua tipe polyester yang kebanyakan digunakan adalah polybutylene terephthalate (PBT) dan polyethylene terephthalate (PET). PBT

digunakan di bidang manufaktur automotive luggage rack dan komponen

headlight. PET digunakan dibidang pengepakan, automotif, dan industri

Universitas Indonesia elektronik disebabkan sifat ketahanan dan hambatan temperatur yang tinggi.

Polyester digunakan di teknologi rapid prototyping SLS.

2.6.6 Polyethylene (PE)

Polyethylene memiliki struktur semi-crystalline dan komposisi kimia-nya

adalah [C2H4]n. Polyethylene memiliki ketahanan yang baik dan daya tahan terhadap reaksi kimia yang sangat baik. PE dapat diproses dengan metode produksi termoplastik apa saja, sehingga dapat menggunakan berbagai macam tipe termoplastik. mempunyai dua tipe : low density polyethylene (LDPE) dan

high density polyethylene (HDPE). Perbedaan karakteristik dari kedua tipe

tersebut disebabkan dari perbedaaan struktur karena massa jenis secara langsung berbanding lurus terhadap derajat kekristalan (% crystalline) dari struktur material. Polyethylene digunakan di teknologi FDM.

2.6.7 Polypropylene (PP)

Polypropylene memiliki struktur semi-crystalline dengan derajat

kekristallan yang tinggi. PP, yang mana memiliki komposisi kimia [C3H6]n, merupakan plastik yang tersedia saat ini. PP memiliki daya tahan terhadap reaksi kimia yang baik dan karakteristik-nya sebanding dengan HDPE. PP digunakan di dalam manufaktur pembuatan plastik hinges. PP digunakan di teknologi rapid prototyping FDM.

2.6.8 Polyvinylchloride (PVC)

Polyvinylchloride memiliki struktur amorphous dengan komposisi

kimia [C2H3C]n. Kekakuan dari PVC berbanding terbalik terhadap banyaknya plasticiezer yang terkandung di dalam. Ditambah lagi, PVC mengandung penstabil (stabilisator) agar supaya mengontrol ketidakstabilan-nya ketika terkena cahaya dan panas. PVC digunakan di teknologi rapid

prototyping SLS.

Universitas Indonesia 3 BAB 3

PENINGKATAN KINERJA MESIN RAPID PROTOTYPING

Untuk meningkatkan kinerja dari mesin rapid prototyping berbasis fused

deposition modelling dilakukan analisis terhadap permasalahan yang terjadi dan

menerapkan beberapa metode berdasarkan analisis yang telah dilakukan. Berikut ini adalah beberapa metode yang digunakan untuk meningkatkakn kinerja dari mesin rapid prototyping

3.1 Pengurangan Diameter Output Filamen

3.1.1 Analisis Pengurangan Diameter Output Filamen

Pada penelitian sebelumnya produk akhir yang dihasilkan dari mesin rapid

prototyping masih memiliki tingkat akurasi yang rendah, hal tersebut terlihat dari

dimensi produk yang masih besar.

Gambar 3.1 Akurasi produk lama

Akurasi yang rendah dari produk akhir rapid prototyping disebabkan karena dimensi dari output filament yang dihasilkan oleh nozzle masih terlalu besar. Berdasarkan studi literatur yang dilakukan Tian Ming Wan [8]

Universitas Indonesia menggunakan mesin rapid prototyping berbasis fused deposition modeling dengan menggunakan diameter nozzle 0.25 mm dan menghasilkan produk dengan akurasi yang lebih baik. Hal tersebut membuktikan bahwa dengan pengurangan diameter

nozzle akan mengurangi diameter output filament yang akan meningkatkan

akurasi dari produk akhir rapid protortping berbasis FDM.

Gambar 3.2 output filament produk lama

Pada gambar 3.2 diatas terlihat bahwa diameter output filament yang dihasilkan oleh mesin rapid prototyping masih rendah. Besarnya diameter ouput

filament tersebut adalah 1 mm, output filament tersebut dihasilkan oleh diameter

berukuran 1 mm. Berdasarkan pada penelitian sebelumnya, untuk meningkatkan kinerja dari mesin rapid prototyping dengan mengurangi dimensi output filament dilakukan pengembangan dengan cara mendisain nozzle dengan output 0.5 mm dengan target output filament yang dihasilkan adalah 0.5 mm.

3.1.2 Pengembangan Nozzle

Untuk dapat meningkatkan kinerja dari mesin rapid prototyping yaitu dengan meningkatkan akurasi dari produk akhir RP. Perlu adanya pengurangan dimensi output filament yang sangat dipengaruhi oleh diameter nozzle yang digunakann. Untuk itu, dikembangkan desain nozzle yang memiliki diameter

nozzle 0.5 mm.

Material yang digunakan untuk pengembangan nozzle ini masih menggunakan kuningan (brass) yang konduktifitas thermalnya tidak terlalu tinggi untuk menjaga agar laju pelepasan kalor yang terjadi tidak terlalu besar. Untuk

menjaga agar suhu heater

panas agar tidak keluar dari sistem. Berik

digunakan untuk mengurung panas pada komponen

Setelah itu dilakuka

nichrome masih digunakan pada penelitian ini sebagai elemen pemanas karena

masih efektif untuk meningkatkan temperatur

teflon pada isolator menurunkan temperatur kerja secara signifikan, pada penelitian sebelumnya temperatur kerja

material berkisar antara 330 temperatur kerja menurun pada

bahwa isolator yang digunakan lebih baik dari yang sebelumnya

Universitas Ind

heater tetap stabil maka diperlukan isolator untuk mengisolasi

panas agar tidak keluar dari sistem. Berikut ini adalah beberapa isolator yang digunakan untuk mengurung panas pada komponen heater.

Gambar 3.3 Komponen nozzle

Setelah itu dilakukan proses assembly setiap komponen yang diatas, kawat masih digunakan pada penelitian ini sebagai elemen pemanas karena

k meningkatkan temperatur pada heater. Penggunaan se

teflon pada isolator menurunkan temperatur kerja secara signifikan, pada penelitian sebelumnya temperatur kerja yang harus dicapai untuk merubah fase berkisar antara 330-340 °ܥ . Pada panggunaan heater yang baru temperatur kerja menurun pada range 250-260 °ܥ . Hal tersebut membuktikan bahwa isolator yang digunakan lebih baik dari yang sebelumnya.

Universitas Indonesia tetap stabil maka diperlukan isolator untuk mengisolasi ut ini adalah beberapa isolator yang

setiap komponen yang diatas, kawat masih digunakan pada penelitian ini sebagai elemen pemanas karena . Penggunaan selubung teflon pada isolator menurunkan temperatur kerja secara signifikan, pada yang harus dicapai untuk merubah fase yang baru . Hal tersebut membuktikan

Gambar

Tidak ada perbedaan antara sistem kontrol suhu

yang baru. Namun, untuk penelitian ini mikrokontroler atmega 16 mengontrol 2 suhu sekaligus yaitu temperatur

menampilkannya dalam satu LCD yang sama.

Universitas Ind Gambar 3.4 Assembly nozzle

Gambar 3.5 Skema kontrol suhu nozzle

Tidak ada perbedaan antara sistem kontrol suhu nozzle yang lama dengan yang baru. Namun, untuk penelitian ini mikrokontroler atmega 16 mengontrol 2 suhu sekaligus yaitu temperatur heatbed dan temperatur nozzle menampilkannya dalam satu LCD yang sama.

Universitas Indonesia yang lama dengan yang baru. Namun, untuk penelitian ini mikrokontroler atmega 16 mengontrol 2

nozzle dan

Universitas Indonesia 3.2 Pengurangan Defleksi

3.2.1 Analisis Pengurangan Defleksi

Defeksi terjadi pada produk akhir dari rapid prototyping yang mneyebabkan produk menjadi tidak sesuai dengan yang diharapkan. Defleksi yang terjadi dapat mengganggu proses pembuatan prototype.

Gambar 3.6 Defleksi pada produk rapid prototyping

Defleksi terjadi pada beberapa layer terbawah dan tren nya menurun (defleksi menurun) seiring dengan peningkatan jumlah layer. Defleksi ini mungkin terjadi diakibatkan karena adanya perbedaan temperatur pada setiap

layer, ketika satu layer pertama selesai didepositkan maka secara cepat temperatur

material akan menuju temperatur ruang, kemudian layer kedua menimpa, dan terjadi perbedaan temperatur antara layer n dan layer n+1, sampai dengan beberapa layer ke atas terjadi penumpukan kalor yang menyebabkan semakin adanya perbedaan temperatur antara layer terbawah dengan layer atasnya.

Untuk menguatkan dugaan, kemudian dilakukan studi literatur dan ditemukan bahwa ada permasalahan yang sama pada kasus injection molding,

rapid prototyping berbasis FDM dan injection molding memiliki beberapa

persamaan dalam mekanisme pengekstrusian material ke dalam suatu heater, di dalam injection molding salah satu penyebab cacat produk adalah karena adanya perbedaan temperatur pada proses pendinginan, plastik yang mendingin lebih cepat pada bagian terluar mold tertarik kearah plastik yang temperaturnya lebih tinggi yang berada di dalam mold.

Berdasarkan hipotesa tersebut, perlu adanya perlakuan khusus untuk mengatasi defleksi yang terjadi pada beberapa layer terbawah tesebut. Untuk itu,

Universitas Indonesia perlu adanya sesuatu alat yang berfungsi untuk mempertahankan kondisi layer terbawah agar tetap terjaga pada temperatur tertentu dan menahan penarikan material yang terjadi akibat perbedaan temperatur.

3.2.2 Pengembangan Heatbed

Pada Penelitian sebelumnya belum digunakan alas pemanas pada system.

heatbed berfungsi untuk menjaga temperatur material yang keluar dari heater

tetap berada diatas glass point. Material yang suhunya telah berada dibawah suhu glass pointnya akan menjadi licin dan sulit untuk mempertahankan posisinya pada saat proses pembuatan prototype layer by layer. Untuk itu, perlu adanya alat yang dapat mempertahankan fase semisolid dari material tersebut. Material

semisolid tersebut akan memiliki daya adhesive dengan alas pemanas. Alas

pemanas yang digunakan adalah setrika yang telah dimodifikasi sedemikian rupa agar suhu nya dapat dikontrol dengan mikrokontroler.

Gambar 3.7 Heatbed

Setrika pada umumnya memiliki sensor suhu mekanik yaitu bimetal. Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua lempengan logam yang berbeda koefisien muainya. Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuainya tergantung dari jenis logam dan temperatur kerja dari logam tersebut. Bila dua lempeng logam tersebut saling direkatkan dan dipanaskan maka logam yang memiliki koefisien muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih rendah akan memuai lebih pendek

Universitas Indonesia karena perbedaan muai tersebut maka bimetal akan melengkung kearah logam yang memiliki koefisien muai lebih rendah. Bimetal adalah saklar alami yang bersifat normally close (NC).

Gambar 3.8 bimetal

Untuk keperluan penelitian ini penulis membuang sensor bimetal tersebut dan menggantinya dengan relay 24 v yang telah dibahas diatas. Dengan mengganti sensor dari bimetal menjadi relay akan lebih keleluasan dan mudah untuk mengontrol suhu yang diinginkan.

Gambar 3.9 Skema kontrol suhu heatbed 3.2.3 Thermocouple Amplifier

Temperatur kontrol berfungsi untuk mengatur temperatur pencairan material agar tetap konstan. Metode pengontrolan yang digunakan adalah dengan menggunakan mikrokontroller ATmega 16 melalui fitur ADC 10 bit yang sudah

terintegrasi didalam chip tersebut adalah thermc

antara temperatur dengan tegangan, akan tetapi tegangan yang dihasilkan dalam satuan mV sehingga dibutuhkan

Setelah melalui thermo (Analog Digital Converter

digunakan adalah AD595 yang mampu menguatkan tegangan setiap kenaikan 10mV per 1 derajat Celcius. Jangkauan temperatur yang akan diukur adalah dari 0 sampai 500 derajat Celcius. Pada mikrokontro

setiap channel-nya, sehingga dibutuhkan konversi hitungan sinyal yang masuk ke ADC, karena dengan 10 bit berarti angka karakter mampu mencapai 10 bit = 210 = 1024. Pada ADC menggunakan tegangan referensi AREF 5V, sehingga :

Pada perhitungan di

kenaikkan setiap 1 0C, oleh karena itu angka karak AD dibagi dengan angka 2,048 sehingga jangkauan dari 0 mencapai 500 derajat

menggunakan alarm, berupa lampu LED sebagai tanda jika

tidak terpasang dengan baik maka LED akan menyala. Skematik yang dikembangkan mengikuti skematik berdasarkan datasheet AD595.

Universitas Ind

chip. Sensor yang digunakan untuk mengukur temperatur couple tipe-K, dan thermocouple ini sudah cukup linier

antara temperatur dengan tegangan, akan tetapi tegangan yang dihasilkan dalam satuan mV sehingga dibutuhkan thermocouple amplifier (penguat tegangan).

ermocouple amplifier ini, barulah sinyal masuk ke ADC Analog Digital Converter) pada mikrokontroller. Thermokopel amplifier

digunakan adalah AD595 yang mampu menguatkan tegangan setiap kenaikan 10mV per 1 derajat Celcius. Jangkauan temperatur yang akan diukur adalah dari

at Celcius. Pada mikrokontroler fitur ADC memiliki 10 bit nya, sehingga dibutuhkan konversi hitungan sinyal yang masuk ke ADC, karena dengan 10 bit berarti angka karakter mampu mencapai 10 bit = 210 = 1024. Pada ADC menggunakan tegangan referensi AREF 5V, sehingga :

Pada perhitungan di atas berarti setiap kenaikkan angka 2,048 bit, berarti an setiap 1 0C, oleh karena itu angka karakter yang didapat melalui dibagi dengan angka 2,048 sehingga jangkauan temperatur yang terukur

mencapai 500 derajat celcius. Desain PCB yang dikemban menggunakan alarm, berupa lampu LED sebagai tanda jika thermo tidak terpasang dengan baik maka LED akan menyala. Skematik yang dikembangkan mengikuti skematik berdasarkan datasheet AD595.

Gambar 3.10 Skematik AD595[14]

Universitas Indonesia Sensor yang digunakan untuk mengukur temperatur

ini sudah cukup linier antara temperatur dengan tegangan, akan tetapi tegangan yang dihasilkan dalam

(penguat tegangan). ini, barulah sinyal masuk ke ADC

ermokopel amplifier yang

digunakan adalah AD595 yang mampu menguatkan tegangan setiap kenaikan 10mV per 1 derajat Celcius. Jangkauan temperatur yang akan diukur adalah dari

ler fitur ADC memiliki 10 bit nya, sehingga dibutuhkan konversi hitungan sinyal yang masuk ke ADC, karena dengan 10 bit berarti angka karakter mampu mencapai 10 bit = 210 = 1024. Pada ADC menggunakan tegangan referensi AREF 5V, sehingga :

kan angka 2,048 bit, berarti ter yang didapat melalui temperatur yang terukur Desain PCB yang dikembangkan

ermocouple

Universitas Indonesia Table 7 Temperatur dan tegangan terukur AD595[14]

Hubungan antara temperatur dengan tegangan pada tabel 7 sudah mencapai linier. AD595 merupakan thermocouple amplifier dengan cold

junction compensator yang sudah terintegrasi di dalam IC. Compensator

tersebut sudah digabungkan dengan referensi titik beku es dengan amplifier yang sudah terkalibrasi sehingga menghasilkan sinyal keluaran 10mV/0 C secara langsung dari sinyal masukan dari thermocouple. Tegangan keluaran dari thermocouple tidak linier terhadap temperatur, oleh karena itu pada AD595 hubungan tersebut dibuatlah transfer function agar keluaran tegangan keluaran aktual pada AD595 linier terhadap temperatur.

Persamaan di atas adalah hubungan tegangan keluaran thermocouple tipe-K dengan tegangan keluaran aktual pada AD595.

Universitas Indonesia Gambar 3.11 IC AD595[14]

3.2.4 Relay

Relay digunakan pada penelitian ini berfungsi sebagai saklar elektromagnetis agar arus yang mengalir ke kawat nichrome dapat diputus jika temperatur yang diharapkan dicapai, sehingga diharapkan temperatur tetap konstan. Tipe relay yang digunakan adalah solid state relay, bekerja pada jangkauan 24VDC,10A. Relay dalam kondisi normally closed, sehingga setelah mendapat sinyal trigger dari mikrokontroller ATmega 16, kondisi relay menjadi normally open dan arus berhenti mengalir atau terputus. Oleh karena itu, temperatur yang dicapai tidak pernah konstan pada temperatur tertentu, akan tetapi temperatur akan naik dan turun tidak jauh dari jangkauan temperatur yang dibuat konstan, misalnya temperatur konstan yang diinginkan 250 C, maka temperatur yang dicapai bisa pada jangkauan ±100 C.